Most somatic mutations arising during the normal development present at various levels in single or multiple tissues, depending on the developmental stage and the affected organs. However, it remains unclear how the human developmental stages or mutation-carrying organs affect somatic mutations’ features. In the first part, I performed a systemic and comprehensive analysis of low-level somatic mutations using deep whole-exome sequencing (average read depth ~500x) data in a total 498 of matched multiple tissues (e.g. brain, blood, and others) from 190 individuals. Interestingly, I found that the early-stage mutations (shared in multiple organs) showed significantly lower number but higher variant allele frequency (VAF), compared to the late-stage mutations (in a single organ); 1.49 variants per individual with average 6.17% of VAF in the early-stage vs 8.46 variants per individual with average 1.5% of VAF in the late-stage. Each of the early- and late-stage mutations has a distinct mutational signature compared to tumor-originated mutations. Regarding brain somatic mosaicism, I found that mutational signatures were specific to brain regions. Thus, this study provides new insight into somatic mutations arising in early and late developmental stages and their biological implication. Focal cortical dysplasia (FCD) is a cortical developmental malformation presenting intractable epilepsy, which is largely caused by somatic mutations that abnormally activate the mTOR pathway. This condition is the most cause of epileptic surgery in childhood. Even intensive diagnostic effort, many children with FCD type II remain without a molecular diagnosis. Then, in the part 2, I optimized the affected cell sorting system with subsequent bioinformatic analysis of whole genome sequencing. I was able to identify the causative mutations in 4 of 14 patients in genes encoding mTOR pathway components; 2 ultra-low-level somatic mutations and 2 germline structural variations. The cell sorting method and comprehensive bioinformatic algorithm is a great way to find the cause of the disease in patient without molecular diagnosis using conventional sequencing in FCDII.
인간의 정상 발달 중에 발생하는 체성 돌연변이는 발달 단계와 영향을 받은 장기에 따라 단일 또는 다중 조직에 다양한 수준으로 나타날 수 있다. 하지만, 여전히 인간의 발달 단계 및 돌연변이를 공유하는 기관에 따른 체성 돌연변이의 특징에 대한 이해는 부족하다. 첫번째 파트에서는, 190명의 개인에서 뇌, 혈액, 다른 고형 장기를 포함하여 총 498개의 조직에서 전장 엑솜 시퀀싱을 진행하고 종합적인 분석을 진행하였다. 그 결과, 다중 장기에 공유되어 있는 초기 단계 돌연변이는 단일 장기에 제한된 후기 단계 돌연변이에 비해 현저히 낮게 존재하지만, 더 높은 변이 대립 유전자 빈도를 가지고 있었다. 초기 및 후기 시기에 각각 개인당 평균 1.5개, 8.5개의 평균 6.2%와 1.5%의 변형 대립 유전자 빈도를 가지고 있었다. 또한 초기 및 후기 단계 돌연변이는 종양 유래한 돌연변이와는 뚜렷하게 구분되는 돌연변이 시그니처를 가지고 있었다. 종합적으로, 체성 돌연변이 분석을 통해 뇌 영역 및 다른 장기들의 유전학적 특성, 초기 및 후기 단계 돌연변이의 생물학적 특성을 확인할 수 있었다. 뇌 발달 질환 중의 체성 돌연변이의 역할이 잘 설명되어 있는 국소 피질 이형성증에 집중하여 연구를 진행하였다. 이 질환은 난치성 뇌전증을 일으키며 소아기 뇌전증 수술의 가장 흔한 원인이다. 집약적인 진단적 노력에도 불구하고 많은 수의 국소 피질 이형성증 2형 환자는 분자 유전학적 진단을 받지 못한다. 그래서, 두번째 파트로 이 질병 군의 뇌 조직에서 체성 돌연변이를 갖고 있는 세포를 분리하여 전장 유전체 시퀀싱을 진행하고, 종합적이고 체계적인 생물 정보학 분석을 진행하였다. 국소 피질 이형성증 2형 환자군 14명 중 4명의 환자에서 원인 돌연변이를 찾았고, 2개의 초저빈도 체세포 돌연변이 및 2개의 생식세포 구조적 변이를 포함하고 있다. 본 연구를 통해 기존의 염기서열분석을 통해 분자 진단을 할 수 없었던 환자의 질병 원인을 찾을 수 있는 방법을 구축하였고, 뇌에 존재하는 초저빈도 체성 돌연변이가 질병을 일으킬 수 있음을 밝혔다. 이러한 방법을 통해 많은 환자에서 진단이 가능하며, 치료 및 질병 발생의 메커니즘 연구에 도움이 될 수 있겠다.
